Способы гидролиза

Основная задача технологического процесса гидролиза и подготовки гидролизата – получение доброкачественного сахаросодержащего раствора для выработки из него кормовых дрожжей.

Полисахариды, содержащиеся в растительной ткани, для усвоения дрожжами должны быть превращены в моносахара, что производится химическим способом в процессе гидролиза. Для ускорения гидролиза применяют катализаторы, наиболее активными из которых являются минеральные кислоты: серная, сернистая и соляная. Гидролиз можно проводить с применением концентрированных кислот или их водных растворов низкой концентрации. В связи с этим различают гидролиз разбавленными и концентрированными кислотами.

Для гидролиза разбавленными кислотами применяется серная кислота. Разбавленная соляная кислота не применяется из-за ее сильной агрессивности. Для гидролиза концентрированными кислотами можно использовать серную и соляную кислоты. Гидролиз проводят при низких температурах, а следовательно с незначительным распадом сахаров и без затрат тепла. Высокая доброкачественность гидролизатов обеспечивает повышенный выход готовой продукции.

Гидролиз может осуществляться периодическим и непрерывным способами. Аппараты периодического действия проще в изготовлении. Однако при непрерывном способе гидролиза можно значительно сократить требуемый суммарный объем гидролизаппаратов. Создаются благоприятные условия для получения более высоких удельных выходов редуцирующих веществ (до 56% абс. сухой древесины) и повышения доброкачественного гидролизата.

Перколяционный гидролиз. Из известных способов гидролиза применяется перколяционный гидролиз: жидкая фаза двигается сверху вниз через слой неподвижной фазы (гидролизуемое сырье). Обязательным условием является полное погружение твердой фазы в жидкость. Этот способ получил широкое промышленное применение.

В процессе гидролиза одновременно происходят две параллельно идущие реакции: гидролитическое расщепление полисахаридов и распад образовавшихся моносахаридов. Реальный выход моносахаридов (РВ) является разностью между образовавшимися и разложившимися моносахаридами. В модифицированных способах и режимах гидролиза предусматриваются меры для снижение распада моносахаридов. Критерий распада сахара R₂ определяется по следующему уравнению:

R₂=δ k₂t

В уравнении t – длительность пребывания образовавшихся моносахаров в сфере реакции; коэффициент δ отражает наличие в смеси моносахаров, которые имеют константу скорости распада k₂, отличающуюся от константы скорости распада глюкозы. Например, для гемицеллюлозного сахара хвойной древесины δ =1, 9, а для ксилозы δ =4, 4 – 4, 5. В процессе гидролиза в первую очередь происходит деструкция гемицеллюлоз, а образовавшиеся сахара представляют собой смесь глюкозы и пентоз с преобладанием последних. Модифицированный режим получил название «двухстадийный гидролиз».

В первой стадии создаются мягкие условия процесса, при которых распад продуктов гидролиза (РВ минимален, но в то же время достаточные для деструкции основной массы легкогидролизуемых полисахаридов. В гидролизируемом сырье перед началом второй стадии гидролиза практически остаются только трудногидролизуемые полисахариды (целлюлоза), а образовавшиеся моносахара в основном представлены глюкозой.

Однородность гидролизуемого материала и благоприятное соотношение величин констант скорости гидролиза целлюлозы k₁ и распада глюкозы k₂ позволяют осуществить вторую стадию гидролиза также в оптимальном режиме. Кроме повышения удельных выходов РВ и доброкачественности гидролизата можно снизить расход пара на брагоректификационный аппарат. Это достигается раздельной переработкой гидролизата: гидролизат от второй стадии идет на производство спирта, а от первой стадии, совместно с послеспиртовой бардой, для выработки дрожжей.

Парофазный метод гидролиза. Наряду с перколяционным методом гидролиза на гидролизных предприятиях находит применение так называемый парофазный метод гидролиза. При парофазном гидролизе в отличие от перколяционного жидкость содержится только внутри частиц сырья, между частицами находится пар. Сырье смачивается раствором кислоты перед поступлением в гидролизаппарат, а затем нагревается паром до заданной температуры и выдерживается до 20 мин. В частицах сырья при выдержке происходит деструкция гемицеллюлоз (целлюлозы) с образованием моносахаров. Следующая операция (экстракция) имеет назначение вывести в раствор из частиц сырья образовавшиеся сахара. Для этого в гидролизаппарат подают слабый раствор кислоты или гидролизат с более низкой температурой, чем имеет содержимое гидролизаппарата. Это снижает или полностью предотвращает распад образовавшихся моносахаров.

Парофазный гидролиз позволяет проводить гидролиз постадийно, например, в две стадии: в первой осуществляется гидролиз гемицеллюлоз, во второй – целлюлозы. Предпосылкой для получения более высоких доброкачественности гидролизата и выходов РВ является наличие благоприятных условий по сравнению с перколяционным методом гидролиза.

Критерий распада моносахаров при парофазном методе гидролиза будет иметь меньшее значение, чем при перколяционном. При равных прочих условиях соотношение критериев образования и распада моносахаров будет определяться длительностью пребывания образовавшихся моносахаров в сфере реакции. Операция нагрева сырья в начале процесса и при переходе от первоначальной стадии гидролиза к последующей при перколяционном методе происходит при наличии в аппарате значительных количеств жидкой фазы. При парофазном методе гидролиза сырье только смочено ограниченным количеством жидкости. Длительность пребывания образовавшихся моносахаров в сфере реакции при перколяционном гидролизе определяется длительностью пребывания жидкости в гидролизаппарате и в конечном счете зависит от скорости выдачи. Кроме того, необходимо учитывать неравномерность вытеснения гидролизата, содержащего РВ, варочным раствором, которая приводит к тому, что часть сахаров задерживается в гидролизаппарате более длительное время. Следовательно, с увеличением объема аппарата повышается длительность пребывания моносахаров в сфере реакции, а также увеличивается доля сахаров, пребывающих в гидролизаппарате более длительный срок по сравнению со средним значением длительности пребывания.

На выход РВ оказывает влияние гранулометрический состав сырья, и это должно учитываться при выборе параметров режима гидролиза. При гидролизе частиц сырья размером менее 2, 5 мм не наблюдается изменения выхода сахара. Заметное влияние оказывает длина щепы. Например, щепа с длиной волокна 4 – 5 мм уменьшает выход РВ на 4 – 5%, при длине 30 – 40 мм на 5 – 10%, а при более длинной щепе выход снижается на 30 – 40%. Чем меньше сырье, тем выше плотность загрузки гидролизаппарата и тем выше его производительность.

Перед перколяцией сырье, смоченное слабым раствором серной кислоты, прогревают путем впуска острого пара. Следует иметь ввиду, что во время прогрева происходит и гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов. Поэтому в последующий за прогревом период (начальная стадия перколяции) необходимо принять меры для предупреждения деструкции образовавшихся сахаров, например вести прогрев до давления 0, 5МПа, подавать воду на начальную стадию перколяции не выше 175˚ С и другие меры. При этом следует обратить внимание на то, что часть полисахаридов не подвергается полному гидролизу и находится в гидролизате в виде дисахаров и осколков полисахаридов. Для превращения их в моносахара требуется проведение дополнительного гидролиза (инверсии). Вещества, для использования которых проводится инверсия, в практике называют неинвертированным сахаром. Инверсию проводят не только для получения дополнительного количества усваиваемых дрожжами моносахаридов, но и с целью повышения биологической доброкачественности гидролизата и улучшения состава сточных вод по БПК. В процессе инверсии снижается количество декстринов и стабилизируется коллоидный состав гидролизата. При этом выпадает довольно значительное количество осадка, содержащего смолистые вещества. Инверсия улучшает качество сточных вод, позволяет несколько уменьшить объем биологических очистных сооружений.